Дифференциальный выходной трансформатор в двухтактных ламповых УМЗЧ

(полная авторская версия)

Сергей Комаров, UA3ALW Журнал "Радио" № 4 за 2006 г.

Дифференциальный выходной трансформатор и его расчетные параметры

Сами по себе трансформаторы ТАН и ТН используемые в качестве выходных в двухтактных усилителях, хоть и позволяют насладиться ламповым звучанием и сильно облегчают изготовление любительских домашних усилителей, однако, они не могут обеспечить высокое качество воспроизведения звука. Все-таки, это силовые трансформаторы и при их конструировании не учитывались специфические "звуковые" характеристики. Приведенное в статье схемное решение позволяет получить высококачественное звучание на добрых старых зеленых трансформаторах.

Имея два любых, одинаковых ТН-а или ТАН-а можно их включить по приведенным схемам и получить высококачественный, идеально симметричный, выходной трансформатор для двухтактного лампового усилителя, который, к тому же, будет работать на частотах от 20 герц, отдавая в нагрузку весьма значительную мощность.

Параметры дифференциального трансформатора на базе ТН-ов будут следующими:
Максимальная амплитуда напряжения на всей первичной обмотке (между анодами ламп) на частоте 50 Гц - 718 Вольт, а на частоте 20 Гц - 287 Вольт.
Ультралинейный отвод для экранной сетки - 43% от числа витков половины первичной обмотки, что идеально для ламп 6L6, 5881, 6П3С, 6П3С-Е, KT-66, КТ77, KT88, 6550.
Измеренные (при напряжении 220 вольт, 50 Гц) типовые индуктивности первичных обмоток (Laa) некоторых трансформаторов для таких схем включения приведены в таблице 1:

Таблица 1.

Тип составляющих трансформаторов	Габаритная мощность на частоте [Вт]		Индуктивность Laa всей первичной обмотки [Г]
Тип составляющих трансформаторов	50 Гц	20 Гц	Индуктивность Laa всей первичной обмотки [Г]
2 х ТН33-127/220-50	40	6,4	64,4
2 х ТН36-127/220-50	60	9,6	93,4
2 х ТН51-127/220-50	154	24,6	77,5
2 х ТН61-127/220-50	380	61	22,6

У такого включения трансформаторов, помимо идеальной симметрии есть еще весьма существенное положительное качество. Половины анодных обмоток, на которых присутствует максимальное переменное напряжение звуковой частоты, разнесены на разные катушки и на разные сердечники. А по сему, межобмоточная емкость, ограничивающая сверху диапазон рабочих частот, сведена к минимуму.

Наличие у каждого ТН-а четырех выходных обмоток по 6,3 вольта, две из которых имеют отводы на 5 вольт, позволяет получить весьма обширную таблицу коэффициентов трансформации и, соответственно, значений Raa, без изменения схемы включения и рабочих напряжений первичной (анодной) обмотки:

Таблица 2.

Номер комбинации	Набор обмоток [В эфф]	Выходное напряжение при последовательном соединении. Вариант 1. [В эфф]	Выходное напряжение при параллельном соединении. Вариант 2. [В эфф]
1	5	10	5
2	6,3	12,6	6,3
3	6,3 + 1,3	15,2	7,6
4	6,3 + 1,3 + 1,3	17,8	8,9
5	5 + 5	20	10
6	6,3 + 5	22,6	11,3
7	6,3 + 6,3	25,2	12,6
8	6,3 + 6,3 + 1,3	27,8	13,9
9	6,3 + 6,3 + 1,3 + 1,3	30,4	15,2
10	6,3 + 5 + 5	32,6	16,3
11	6,3 + 6,3 + 5	35,2	17,6
12	6,3 + 6,3 + 6,3	37,8	18,9
13	6,3 + 6,3 + 6,3 + 1,3	40,4	20,2
14	6,3 + 6,3 + 5 + 5	45,2	22,6
15	6,3 + 6,3 + 6,3 + 5	47,8	23,9
16	6,3 + 6,3 + 6,3 + 6,3	50,4	25,2

Первый вариант соединения вторичных обмоток составляющих трансформаторов позволяет получить большие выходные мощности на нагрузках 8, 12 и даже 16 Ом или, использовать дифференциальный трансформатор на половинных напряжениях и 25-и процентных мощностях, но работать при этом с малыми индукциями в сердечнике. Именно такое включение используется в высококачественных усилителях. К примеру, если допустить, что трансформаторы ТАН и ТН посчитаны на номинальную индукцию 1,35 - 1,4 Тесла, то в схеме дифференциального трансформатора при тех же питающих напряжениях усилителя они будут работать с индукцией 0,67 - 0,7 Тесла. А это уже типовые значения индукции для высококачественного усиления звука.

Таблица 3.

Вариант 1. Параметры дифференциального трансформатора при последовательном включении выходных обмоток.

Набор* обмоток [В эфф]	К тр.	Raa [Ом] при нагрузке		Максимальная выходная мощность [Вт]				Максимальный ток нагрузки [A]
		Raa [Ом] при нагрузке		На нагрузке 8 ом		На нагрузке 4 ома		На нагрузке 8 ом		На нагрузке 4 ома
		8 ом	4 ома	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц
10	50,8	20645	10323	12,5	2	25	4	1,25	0,5	2,5	1
12,6	40,32	13006	6503	20	3,2	40	6,4	1,6	0,64	3,2	1,28
15,2	33,42	8935	4467	29	4,6	58	9,3	1,9	0,76	3,8	1,52
17,8	28,54	6516	3258	40	6,4	80	12,8	2,25	0,9	4,5	1,8
20	25,4	5161	2580	50	8	100	16	2,5	1	5	2
22,6	22,48	4043	2021	64	10	128	20	2,8	1,12	5,7	2,24
25,2	20,16	3251	1626	80	13	160	25	3,2	1,28	6,4	2,56
27,8	18,27	2670	1335	97	15,5	193	31	3,5	1,4	7	2,8
30,4	16,71	2234	1117	116	18,5	231	37	3,8	1,52	7,6	3,04
32,6	15,58	1942	971	133	21	266	43	4,1	1,64	8,2	3,28
35,2	14,43	1666	833	155	25	310	50	4,4	1,76	8,8	3,52
37,8	13,44	1445	723	179	29	357	57	4,7	1,88	9,5	3,8
40,4	12,57	1264	632	204	33	408**	65	5	2	10**	4
45,2	11,24	1011	505	259	41	518**	83	5,7	2,28	11,3**	4,56
47,8	10,63	904	452	285	46	571**	91	6	2,4	11,9**	4,8
50,4	10,08	813	406	318	51	635**	102	6,3	2,52	12,6**	5,04

* На частоте 20 Гц номинальные рабочие напряжения обмоток трансформатора уменьшаются в 2,5 раза.
** Значения, помеченные двумя звездочками, превышают возможные для трансформаторов ТН.

Да, простят меня приверженцы идеальной симметрии в двухтактных усилителях, но для этой схемы последовательное включение выходных обмоток составляющих трансформаторов практически нечувствительно к 10 ... 15 процентной разности набора напряжений. То есть, если, к примеру, на одном трансформаторе Вы наберете 12,6 (6,3 + 6,3) вольта, а на втором, 11,3 (6,3 + 5) вольт, чтобы получить таким образом, к примеру, точный коэффициент трансформации, отсутствующий в таблице (в данном случае - 21,255 и Raa = 3614 / 1807 ом), то ввиду того, что каждый трансформатор симметрично подключен к каждой выходной лампе, схема усилителя не ощутит никакого перекоса и несимметрия будет заключаться лишь в разной мощности отдаваемой в нагрузку вторичными обмотками составляющих трансформаторов. Для данного примера разница в выходных мощностях, отдаваемых половинами первичных обмоток, составит 25%, что при полутора - двукратном запасе по мощности, никоим образом не отразится на качестве звучания и даже на его окраске. При этом напряжения на половинах первичной обмотки дифференциального трансформатора (на анодах ламп выходного каскада) останутся симметричными.

С учетом вышесказанного, приведенная таблица становится еще более подробной!

Второй вариант хорош для подключения низкоомной нагрузки (4 ома и менее) или для усилителей небольшой мощности на обычных (не токовых) пентодах или лучевых тетродах, таких, как 6П1П, 6П6С, 6П14П, 6П3С, при напряжении анодного питания не превышающем 400 вольт и при использовании в них относительно маломощных трансформаторов серии ТН.

При параллельном включении составляющих трансформаторов по выходу, желательно соблюсти одинаковость набора напряжений их выходных обмоток, однако, и в этом случае дифференциальное включение трансформаторов автоматически скомпенсирует небольшой дисбаланс. Тем не менее, рекомендовать такое включение, как штатное, для второго варианта схемы я бы не стал, поскольку допустимое выходное напряжение в этом случае будет равно наименьшему номинальному значению соединяемых обмоток, что приведет к уменьшению максимальной выходной мощности или динамического диапазона дифференциального трансформатора.

Таблица 4.

Вариант 2. Параметры дифференциального трансформатора при последовательно-параллельном включении обмоток.

Набор* обмоток [В эфф]	К тр.	Raa [Ом] при нагрузке		Максимальная выходная мощность [Вт]				Максимальный ток нагрузки [A] **
		Raa [Ом] при нагрузке		На нагрузке 8 ом		На нагрузке 4 ома		На нагрузке 8 ом		На нагрузке 4 ома
		8 ом	4 ома	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц	50 Гц	20 Гц
5	101,6	82580	41290	3,13	0,5	6,25	1	0,31	0,125	0,625	0,25
6,3	80,64	52022	26011	5	0,8	10	1,6	0,39	0,156	0,79	0,31
7,6	66,84	35741	17870	7,2	1,2	14,5	2,3	0,48	0,19	0,95	0,38
8,9	57,08	26065	13033	10	1,6	20	3,2	0,56	0,22	1,11	0,45
10	50,8	20645	10322	12,5	2	25	4	0,625	0,25	1,25	0,5
11,3	44,96	16171	8086	16	2, 6	32	5,1	0,71	0,28	1,41	0,57
12,6	40,32	13005	6502	20	3,2	40	6,4	0,79	0,32	1,58	0,63
13,9	36,55	10687	5344	24	3,8	48	7,7	0,87	0,35	1,74	0,7
15,2	33,42	8935	4467	29	4,6	58	9,3	0,95	0,38	1,9	0,76
16,3	31,16	7768	3884	33	5,3	66	10,6	1,02	0,41	2,04	0,82
17,6	28,86	6663	3332	39	6,2	77	12,5	1,1	0,44	2,2	0,88
18,9	26,88	5780	2890	45	7,2	89	14,4	1,18	0,47	2,36	0,94
20,2	25,15	5060	2530	51	8,2	102	16,3	1,26	0,48	2,52	0,96
22,6	22,48	4043	2021	64	10,2	128	20,5	1,41	0,56	2,83	1,13
23,9	21,26	3616	1808	71	11,4	143	22,7	1,49	0,6	2,99	1,19
25,2	20,16	3251	1626	80	12,8	160	25,6	1,58	0,63	3,15	1,26

* На частоте 20 Гц номинальные рабочие напряжения обмоток трансформатора уменьшаются в 2,5 раза.
** Приведено значение максимального тока нагрузки для одного трансформатора ТН, входящего в схему.

Ну, а теперь нарисуем несколько схем усилителей с такими трансформаторами.

Дифференциальный выходной трансформатор и его расчетные параметры
Практические схемы ламповых УМЗЧ с дифференциальным трансформатором

Справочные данные на радиолампы, трансформаторы и дроссели